塔式起重机的机构设计及PLC电气控制系统的设计（含CAD图纸和说明书）
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塔式起重机
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塔式起重机的机构设计及PLC电气控制系统的设计（含CAD图纸和说明书）,塔式起重机,机构,设计,PLC,电气,控制系统,CAD,图纸,说明书
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摘 要随着改革开放的不断发展，现代化建设进入了一个全新阶段，塔式起重机需求量不断增多。50年代初，我国塔机由仿制开始起步。20世纪60年代，由于高层、超高层建筑的发展，广泛使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机，并在工作机构中采用了比较先进的技术，如直流电机调速、可控硅调速、涡流制动器，在回转和运行机构中安装液力偶合器等。在此时期，中国开始进入了自行设计与制造塔式起重机的阶段。本文是以满足塔式起重机的各个动作而设计的电气控制系统。从塔式起重机的变幅动作、回转动作、起降动作和各个动作中的变速入手，根据继电接触控制器原理和三相异步电机的变速原理设计的电气控制电路。与加入PLC控制器的控制系统相比只由继电接触控制器组成的电气控制系统比加入PLC控制器的控制系统抗干扰性强，但是对塔式起重机的钢铁结构冲击较大适合用于小型塔式起重机。此次毕业设计题目为塔式起重机电气控制系统设计，主要包括起升机构的控制，三速变化的设计，回转机构的绕线电机变速设计，小车变幅双速电机的控制设计，电器元件的选型，控制柜安装布置图，电气接线图的设计等。关键词：塔式起重机 变幅 起升 回转AbstractAs the ceaseless development of reforming and opening, modernization has entered a new stage, demand increased for tower crane. At the beginning of 50 time, our country started by imitation of tower crane. Nineteen sixties, due to high buildings, development, extensive use of internal climbing type and external attached tower crane, and in the working mechanism adopts a more advanced technology, such as the speed of the DC motor, the silicon controlled speed, eddy current brake, in a rotary and a running mechanism installed in hydrodynamic coupling. During this period, China began to enter its own design and manufacture of tower crane s stage.This paper is to meet the needs of each action and design of tower crane electrical control system. From the tower crane luffing motion, rotary motion, and action and each action in the transmission of relay contact control, according to the principle of three-phase asynchronous motor and transmission principle of electrical control circuit design.With the accession to the PLC controller of the control system of relay - contact compared to only by the controller of the electrical control system than the accession to the PLC controller control system anti interference is strong, but the impact of large tower crane steel structure suitable for small tower crane.The graduation design for the tower crane electrical control system design, including the lifting mechanism control, three speed change rotary mechanism design, the motor winding gear design, trolley double speed motor control design, electrical components selection, control cabinet arranged diagram, wiring diagram design.Key Words: Tower crane luffing hoisting slewing目录摘 要1Abstract2目录3第一章 绪论51.1 塔式起重机设计概述51.2塔机的发展51.3传统的塔式起重机的控制现状51.4起升机构的工作原理6第二章 塔机总体方案设计72.1 设计要求72.2 设计任务72.3 塔机基本结构图7第三章 塔式起重机机构设计及其选择93.1起重机冶金用电动机93.2电动机的选择方法93.3起升机构103.3.1起升机构电动机的选择103.3.2起升机构制动器的选择163.3.3起升机构减速器的选择163.4变幅机构163.4.1变幅机构电动机的选择163.4.2变幅机构制动器的选择183.4.3变幅机构减速器的选择183.5旋转机构183.5.1旋转机构电动机的选择183.5.2旋转机构减速器的选择20第四章 PLC的选择与课题介绍214.1 PLC的控制原理214.2 用PLC控制塔机的优越性214.3 塔机的电气控制设计内容224.4 PLC的选型224.5塔式起重机PLC控制系统原理25第五章 塔式起重机电气控制的硬件设计265.1塔机电动机控制电路设计265.2 PLC的输入输出接线设计275.3流程图28第六章 塔式起重机控制的软件设计296.1进退机构工作设计296.2左、右行机构工作设计316.3起升机构工作设计336.5 回转机构356.5声光指示控制设计376.6 限位保护闭锁及复位操作设计37总 结38参考文献39致 谢40第一章 绪论1.1 塔式起重机设计概述 近年来，随着我国经济建设的高速增长，基本建设规模不断扩大，特别是高层建筑施工的不断增多，塔式起重机的应用愈来愈广泛，并已成为建筑施工中的一种主要水平运输和垂直运输机械。此次毕业设计的题目为塔式起重机电气控制系统设计，主要内容包括塔机的回转机构设计，塔机的小车牵引系统设计，塔机的起升机构设计。完成所有图纸的绘制，其中包括电气控制原理图，施工图，电器元件接线图等。1.2塔机的发展塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。20世纪末20余年国外塔机技术发展的主要特点是：（1）组合塔机（Combination crane）或称模块塔机（Modular tower crane）得到迅速发展。（2）一些超重型塔机相继问世（3）适应都市改建需要的城市塔机（City Crane）应运而生并得到发展。（4）安装架设速度快，450900kN*m级塔机借助液压伸缩臂汽车起重机作为安装辅机，在46小时内可以安装完毕。（5）采用较完善的调速，操控系统和电子仪表。进入20世纪90年代以后，我国塔机行业随着全国范围建筑任务的增加进入了一个新的全盛时期，年产量连年猛增，全国塔机总拥有量截至2000年约为6万台，塔机出口业务始于1988年曾一度极为兴旺，据统计19931997年出口共创汇近8400万美圆。至此，无论从生产规模，应用范围和塔机总量等角度来衡量，我国均堪称世界首号塔机大国。塔机的学名为塔式回转起重机，属于一种非连续性搬运机械 1.3传统的塔式起重机的控制现状 塔式起重机是我们建筑机械的关键设备在建筑施工中起着重要作用，我们只用了五十时间走完了国外发达国家上百年塔机发展的路程，如今已达到发达国家水平并跻身于当代国际市场随着高层建筑发展，对施工机械提出了新的要求.于是，160TM附着式、45TM内爬式、120TM自升式等都由我国自己设计并制造;八十年代，国家建设突飞猛进，建筑用最大的250TM塔机也应运而生.进人九十年代，现代化进程不断加快，国内外市场对塔机要求越来越高，众多城市大型建筑、水利、电力、桥梁等不断增加，市场的要求加快了新产品发的力度，先后有400TM900TM水平臂和300TM动臂式塔机，叩年代开发生产的塔机产品技术性能均显著提高，起升机构采用三速电机驱动、涡流制动、电动换挡减速箱，变幅回转采用双速电机液力联轴节驱动，或采用变频调速，有多种速度，工作平稳生产效率高.安全装置齐全，动作灵敏可靠，装有防止误操作和野蛮操作装置，可杜绝安全事故。随着 功 率 电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究目前，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段.可编程序控制器P砚引人到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化.在塔式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检侧显示等，达到了新的技术高度。由变 频 器 构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势.适合发展大起重重量的起重机。1.4起升机构的工作原理起升采用全程磁通矢量电流控制、速度变频调速线路，使起升机构在上升、下降时可获得稳定的速度，其调速比一般大于10。动力电源通过开关和继电设备进入变频器，在变频器内由整流单元整流，将交流电变成直流电。经过逆变单元将直流电变为交流电，逆变单元的输出频率全程可控，电动机可获得不同频率的交流电源。当电动机的转速超过同步转速(变频器的频率值)时，电动机进入回馈状态，其电能返回变频器，变频器制动单元自动将这些能量释放在制动电阻器上，使电动机获得制动转矩。装置具有过压、过流、超速、缺相等保护功能。抓斗采用电动液压系统，液压泵由l台电动机驱动。当主控开关上电后，在PLC指令控制下，开动作接触器闭合，电动机正向转动抓斗打开；闭动作接触器闭合，电动机反向转动抓斗闭合。抓斗开闭由触摸屏和主令控制器控制。采用主令控制器控制，控制器的挡位为10一l，2个方向对称。第二章 塔机总体方案设计2.1 设计要求最大载重 10t最高速度 30m/min最小/最大工作幅度 4m/70m2.2 设计任务（1） 完成塔吊电气控制系统总体方案设计；（2） 重要零部件的设计、校核计算；（3） 绘制总装图、零部件图纸，折合A0图纸不少于2.5张；2.3 塔机基本结构图图2.1 塔机基本机构11-固定基础；2-固定支腿；3-附着装置；图2.2塔机基本结构2 4-顶升机构； 5-下支座； 6-上支座； 7-回转机构； 8-回转塔身； 9-司机室； 10-变幅机构；11-载重小车；12-吊钩；13-起重臂；14-起重臂拉杆；15-塔顶；16-平衡臂拉杆；17-平衡臂；18-平衡重；19-起升机构；20-电控柜；21-塔身第三章 塔式起重机机构设计及其选择3.1起重机冶金用电动机起重机的工作特点是：反复短时运行；频繁的起动和逆转；频繁的电气和机械制动；经常地过负荷；显著的机械震动和冲击；工作环境多灰尘，有的还有金属粉尘；环境温度范围大（-40度+70度）；等等。尤其是冶金用电动机的工作条件更为恶劣。为了满足起重机的工作要求，起重及冶金用电动机与一般工业用电动机相比，有它自己的特点：1.这种电动机一般按反复短时工作制制造。不同的接电持续率下电动机的功率不同。基准的接电持续率由JC25%和JC40%两种。此外还派生有带强迫通风电动机，其基准接电持续率为JC100%，用于接电持续率较高的场合；2.这种电动机的最初起动转矩倍数和最大转矩倍数大，以适应频繁的重负载下起动、制动和逆转，满足减少起动时间和经常过载的要求；3.这种电动机的转子转动惯量较小，转子长度与直径的比（L/D）较大，以得到较小的加速时间和较小的起动损耗；4.这种电动机允许的最大安全转速超过额定转速的倍数较高；5.其防护型式为封闭型，并且在机械机构上适当加强。考虑了使用于多灰尘场合，电动机的密封性较好；6.为了适应高温工作环境，还制造工作环境温度+60度的电动机。3.2电动机的选择方法电动机的选择应满足生产机械的要求（如速度、加速度、起动、过载能力和调速等），也应能满足电网的要求和使用环境条件的要求，并按技术经济合理的原则进行选择。选定的电动机应对其起动能力、过载能力、温升等方面进行校验。1.电动机类型选择起重机上使用的电动机有交流和直流两大类型，根据之前选择的电气传动方案，在这选用交流电动机。交流异步电动机又分为鼠笼型和绕线型两种。绕线型电动机是起重机使用最广泛的一种电动机，也是本次设计所选用的电动机类型。2.电动机电压的选择交流起重及冶金用电动机的功率在250千瓦以下，一般都选用380伏电动机。3.电动机转速的选择在减速器速比允许的情况下，应尽量选用转速较高的电动机，这样，同功率的电动机重量可以轻一些，尤其是对无底脚的端盖有凸缘的安装方式，更要求电动机重量轻。但是高速电动机的起动损耗比较大，当每小时起动次数较多时，应考虑选用高速电动机是否合理。4.电动机安装型式的选择起重机用电动机最常用的安装型式是机座带底脚卧式安装，带一端轴伸或两端轴伸。但为了合理布置机构、缩小安装尺寸，有时也要求机座无底脚的端盖有凸缘的卧式或立式的安装型式。3.3起升机构3.3.1起升机构电动机的选择1电动机静功率计算 （3.1）=10（吨），v=30米/分起升机构采用封闭式齿轮传动式，取，则单位（每吨）静功率约为 （3.2）所以，经过计算得：，对于抓斗起重机，满载抓斗由起升绳与开闭绳共同提升，由于司机操作有差异，起升绳与开闭绳受力可能不很均匀，但因不均匀受力时间很短暂，其不均匀性也不大，故起升与开闭机构之电动机功率仍按总功率的50%初选。对于装卸散粒用的大型高生产率装卸桥或门座起重机，在实际使用中往往抓斗一卸空便提升（抓斗仍处于张开状态），此时开闭绳松弛，空抓斗有可能仅有起升绳所提升，而且一般采用直流电动机驱动，空抓斗的上升速度很高（几乎较满载抓斗高一倍），因此，要核算空抓斗高速提升的功率，并与满载常速提升的功率相比较，取其大值。当抓斗在水中进行作业或抓取粘性、浸湿的物料时，因抽空而产生的吸附现象将使机构阻力增大。根据经验，此时应计及2530%的吸附加载作用。为了满足电动机起动时间与不过热要求，对起升机构，可按下式初选相应于机构JC%值的电动机功率： （3.3）表3-1起升机构按静功率初选电动机的系数值查表3-1得：=0.70.8，所以，大多数起重机的工作循环周期小于10分钟，而起升机构每次运行时间往往在12分钟内。在这种工况下使用的起升机构电动机，在求出静功率侯，可按重复短时工作制（JC=40%）选择电动机型号。表3-2 所选电动机型号与参数基准工作制S3负载持续率6次/hJC=40%型号定功率/kW定子电流/A转子电流/A空载电流/A转速/(r/min)效率（%）率因数3063.468.82.831.4720870.82、起动时间和起动平均加速度验算起升机构电动机的起动力矩主要用来克服载荷静力矩以及由高速轴上转动件的质量引起的惯性力矩： （3.4）由（3-4）式得到起动时间： （3.5）式中 起升载荷重量（千克）； 物品上升速度（米/秒）； 电动机转速（转/分）； 电动机转子飞轮矩（）； 电动机轴上带制动轮联轴器的飞轮矩（）；计及其他传动件飞轮矩影响的系数，换算到电动机轴上时可取=1.11.2；电动机平均起动力矩（），其值见表3-3。表3-3 电动机的平均起动力矩电动机型式三相交流绕线式（1.51.8）三相交流鼠笼式(0.70.8) 并激直流电动机(1.71.8) 串激直流电动机(1.82.0) 复激直流电动机(1.81.9) 复激直流电动机(1.81.9) 注1. 电动机额定力矩，=975（），N电动机额定功率（千瓦），n电动机额定转速（转/分）。 2. 电动机实际最大力矩，=（0.70.8）,式中为电动机最大力矩倍数。 由表3.3得， =1.6=1.6x975=40.625（）经计算得：=1.3（秒）对于中、小起重量的起重机，起动时间应该短一些；对于大起重量的起重机，起动时间可以稍长；速度高时，也可长一些，但起动时间也不能太长，可按表3.4提供的数值来核算。表3-4 起升机构起动时间起重机起升机构工作特性（秒）安装用起重机（1030米/分）11.5大起重量桥式与龙门起重机（3060米/分）11.5港口用门座起重机（3080米/分）22.5本次设计的起重机，是属于中、小起重机，根据表3.4，应在（11.5秒）范围内，可以看到=1.3（秒）在这个范围内。但是起动时间也不能太短，以免造成过大冲击，通常由起动平均加速度来核算： （3.6）经计算得：=0.38起重机供安装用或吊运液态物料时，要求运行平稳，其加速度要小些；起重机用在高生产率场合并对平稳性无严格要求时，其加速度可以大些。平均加速度值见表3-5。如将起升机构的平均加速度控制在表列数值内，则起动时间一般是可以满足要求的。表3-5 起升机构平均加速度起重机用途作精密安装用0.1吊运液态物料0.1一般加工车间、仓库及堆场用吊钩、电磁及抓斗起重机0.2港口用吊钩门座起重机0.40.6港口用抓斗门座起重机0.50.7冶金工厂中生产率高的起重机0.60,8港口用吊钩龙门起重机0.60.8港口用装卸桥0.81.2根据上表3-5的，=0.38在一般抓斗起重机要求的范围之内的，所以起动加速度是合适的。综上所述，起动时间和起动平均加速度验算合格。3、电动机发热验算电动机工作中因温升而发热，过高的温升会使绕组的绝缘材料老化，故需要对按静功率初选的电动机作发热验算，以控制电动机的温升在容许范围内。电动机发热验算的常用方法是：找出一个不变的等效负载，它与实际变化的负载在使电动机发热上等效。如所选电动机的热容量大于由这个等效负载产生的热容量，电动机就不会过热。平均损耗法式验算电动机容量较精确的方法，但不便于实用。在这，我采用：综合系数法载荷变化系数与起动特性系数法1）热平衡方程式 （3.7）式中 电动机容许功率，=； 电动机起动功率； 电动机制动功率，采用机械制动时=0；满载时的静功率，28.8（千瓦）。2）换算成JC=40%额定值时的功率由（3.7）式，经转化后得： （3.8）式中 载荷变化系数= 起动特性系数=系数，与电动机配合何种电阻器有关。目前起重机用电阻器由JC=25%和JC=40%两种，根据配用的电阻器型号，K值分别近似的取为和电动机平均起动力矩倍数，=1.51.8(计算时可取=1.7)；起动时间；机构开动一次的工作时间，平均值按算，=（0.20.4）H为平均起升高度，H额定起升高度，v额定起升速度；取物装置重量；物品重量。比值由计算得出，也可按表3-6中的经验值取用表3-6 机构的经验值机构名称起重机用途及特点起升通用起重机电磁、抓斗起重机装卸桥安装用起重机0.050.10.10.150.10.150.20.25运行运行距离长的起重机吊钩、电磁及抓斗起重机安装用起重机装卸桥大车装卸桥小车0.10.10.20.20.30.20.30.30.4变幅安装用起重机装卸用起重机0.10.20.20.3旋转安装用起重机装卸用起重机0.10.20.20.3在这里，根据实际情况所设计的是抓斗起重机，所以=0.10.15。对于抓斗起重机，取，其 值见表3-7。表3-7 值起重机名称配用JC=25%电阻器时配用JC=40%电阻器时机构的JC值1525404060抓斗起重机-0.750.92（3-8）式中的 =值见图3.1图 3.1 值所以按（3.8）式计算得到=0.8*28.8=23.04(千瓦)30（千瓦），符合电动机不过热条件，所以，电动机不会过热。表3-8 所选用的电动机参数基准工作制S3负载持续率6次/hJC=40%型号定功率/kW定子电流/A转子电流/A空载电流/A转速/(r/min)效率（%）功率因数3063.468.82.831.4720870.803.3.2起升机构制动器的选择1、制动力矩及制动安全系数起升机构制动器之制动力矩需满足下面条件： （3.9）式中 为制动安全系数，在这里=1.5为满载时制动轴上的静力矩。经计算=630N.m2、制动器型号所选制动器的型号为YWZ300/45。3.3.3起升机构减速器的选择根据起升机构的计算载荷及传动比，从标准减速器系列中选取。因为传动比为20.49。所以所选的减速器型号为ZQ65-15.75-42。3.4变幅机构3.4.1变幅机构电动机的选择1、电动机功率计算按第一类载荷确定驱动功率。齿条或螺杆的均方根（等效）轴向力为 （千克） （3.10）式中 取齿条轴向力组合之大者； 每一变幅位置间隔所需要的时间，可由齿条行程Y及移动速度V算出：（秒） 于是变幅功率为（千瓦） （3.11）式中 齿条移动速度（米/秒）； 变幅驱动机构效率。经计算得：=9.8（千瓦），接电持续率为JC=40%。查手册选用变幅电动机型号为。2、电动机过载能力验算由计算可选出电动机在JC=40%时的额定功率N=11kw及转速n=700r/min，则额定力矩=975N/n()=15.32()。电动机平均起动力矩（采用电阻分级起动）：=22.9827.58()电动机过载力矩（实际最大力矩）：=26.8130.64 ()3、起动时间验算： （3.12）经计算得：=3.4（秒）。据手册，港口装卸用门座起重机1秒4秒，我所选的电动机起动时间在这个范围之内，所以满足要求。选用的电动机的具体参数如下表3.9。表3-9 所选用的变幅电动机参数基准工作制S3负载持续率6次/hJC=40%型号定功率/kW定子电流/A子电流/A空载电流/A转速/(r/min)效率（%）功率因数1126.8442.7214.8700810.773.4.2变幅机构制动器的选择这里是平衡变幅机构，由于超载对于制动轴上静力矩影响较小，故可用较小的安全系数：1工作状态时 （3.13）2非工作状态时 (3.14)式中 为制动器的制动力矩； （千克米）（千克米）根据计算选择型号为YWZ300/45。3.4.3变幅机构减速器的选择变幅机构的减速器一般都是采用标准系列型号。因为速比为40，所以在这里采用涡轮减速器，型号是CWU200-40-II。3.5旋转机构3.5.1旋转机构电动机的选择1、电动机功率所需要的电动机功率为（千瓦） （3.15）（） （3.16）式中 包括物品重量在内的起重机旋转部分的重量（千克）；支承轨道的平均半径（米）；滚子的半径（米）；滚子在轨道上的滚动摩擦系数（米）；滚子止推轴承中的摩擦系数；滚子止推轴承的平均半径（米）；圆锥形滚子对其轴线的斜角（度）。经计算得：N=6.3（千瓦）。初选电动机的型号为YZR160L-8。2、起动时间验算电动机的起动时间按等加速起动计算： （3.17）经计算得：7.8（秒）。符合手册中的时间要求范围，所以可取。查手册的所选用的旋转电动机的具体参数如下表3-10。表3-10 所选用的旋转电动机参数基准工作制S3负载持续率6次/hJC=40%型号定功率/kW定子电流/A转子电流/A空载电流/A转速/(r/min)效率（%）功率因数7.520.3232.7312.770578.50.723.5.2旋转机构减速器的选择旋转机构的减速器采用标准系列的减速器，根据旋转机构驱动装置的传动型式。表3-11 旋转机构减速系统减速系统一级减速类型三角带传动速比i1=290/216二级减速类型蜗轮减速器 WHC210-40-速比i2=40三级减速类型开式齿轮传动速比i3=143/18第四章 PLC的选择与课题介绍4.1 PLC的控制原理 可编程控制器是一种工业控制计算机，其核心就是一台计算机。但由于有接口器件及监控软件的包围，因此，其外形不像计算机，操作使用方法、编程语言甚至工作原理都与计算机有所不同。另一方面，作为继电控制盘的替代物，由于其核心为计算机芯片，因此与继电器控制逻辑的工作原理也有很大区别。可编程控制器的工作过程如下：a)输入处理程序执行前，可变成控制器的全部输入端子的通/断状态读入输入映像寄存器。在程序执行中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的内容也不变，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这变化。另外，输入触点从通（ON）断（OFF）或从断（OFF）通（ON）变化到处于确定状态止，输入滤波器还有一响应延迟时间（约10ms）。b)程序处理对应用户程序存储器所存的指令，从输入映像寄存器和其他软元件的映像寄存器中将有关软元件的通、断状态读出，从0步开始顺序运算，每次结果都写入有关的映像寄存器，因此，各软元件（X除外）的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断变化。输出继电器的内部触点的动作由输出映像寄存器的内容决定。c)输出处理全部指令执行完毕，将输出Y的映像寄存器的通、断状态向输出锁存寄存器传送，成为可编程控制器的实际输出。可编程控制器内的外部输出触点对输出软元件的动作有一个响应时间，即要有一个延迟才动作。4.2 用PLC控制塔机的优越性可编程控制器原理及应用为电气控制、机电一体化专业的重要专业基础课之一。它所涵盖的知识面相当广泛，对学生的要求比较高。不仅要具备良好的编程知识，而且还应具备其它相关专业领域内的知识，并具有主动探索知识的能力。可编程控制器是继单片机、STD总线后微机控制技术应用的又一里程碑。由于极高的可靠性及应用极为方便，国内外正在迅速普及应用，并提高发展。它早已突破纯粹开关量控制的局限而进入到过程控制、位置控制、通信网络图形工作站等领域，成为机电控制及过程控制不可缺少的核心控制部分。微机技术已经并继续在改变世界。以微机技术为基础的可编程控制器也正在改变着工厂自动控制的面貌。近20年来随着科学技术的迅猛发展，可编程控制器以其可靠性极高，能经受恶劣环境的考验使用极方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品，与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。起重机是一种循环、间歇运动的机械，主要用于物料的装卸，在工业生产、建筑及物流系统中是不可缺少的设备，有着广泛的用途。塔式起重机是起重机的一种，适用于冶金、水泥、化工、及其他企业的仓库和车间，在室内或露天的固定空间，从事矿石、石灰石、矿粉、焦渣、焦碳、煤、矿等散粒物料的搬运工作。由于该类型设备笨重，运输安装困难，对其他产品质量的检测一般要在现场进行。由于对塔式起重机的检测需要在现场进行，就要求检测控制设备要接线方便、便于携带、工作可靠、控制灵活、PLC可以满足这些要求。4.3 塔机的电气控制设计内容我主要设计起重机的PLC控制系统，主要完成电气控制部分，起重机控制应具有灵活的控制方式，合理的运行方式。塔机工作机构分为5种：起升机构；变幅机构；小车牵引机构；回转机构和大车走行机构。动臂式塔机设臂架变幅机构，兼有架设和变幅两种功能。起升机构，变幅机构及小车牵引机构在构造上极为相似，均由电动机、联轴器、制动器、减速器和卷筒等部件组成。4.4 PLC的选型CPM1A系列PLC是欧姆龙公司生产的小型整体式可编程序控制器。其结构紧凑，功能性强。CPM1A系列PLC属于高性能小型机，它包括多种类型的主机，I/O扩展单元、实现模拟量输入/输出的特殊功能单元以及实现对外通信的通信单元等。CPM1A系列PLC主机类型见表。表 4-1 PLC主机类型主机类型型号输出方式使用电源I/O扩展外部中断10点I/O型输入：6点输出：4点CPM1A-10CDR-A继电器AC100200V最多2点CPM1A-10CDR-D继电器DC24VCPM1A-10CDT-D晶体管（NPN）CPM1A-10CDT1-D晶体管（PNP）20点I/O型输入：12点输出：8点CPM1A-20CDR-A继电器AC100200V最多4点CPM1A-20CDR-D继电器DC24VCPM1A-20CDT-D晶体管（NPN）CPM1A-20CDT1-D晶体管（NPN）表4.1续主机类型型号输出方式使用电源I/O扩展外部中断30点I/O型输入：18点输出：12点CPM1A-30CDR-A继电器AC100200V最大可以连接3台20点的输入/输出扩展I/O单元最多4点CPM1A-30CDR-D继电器DC24VCPM1A-30CDR-D晶体管（NPN）CPM1A-30CDR-D晶体管（PNP）40点I/O型输入：24点输出：16点CPM1A-40CDR-A继电器AC10020VCPM1A-40CDR-D继电器DC24VCPM1A-40CDT-D晶体管（NPN）CPM1A-40CDT1-D晶体管（PNP）CPM1A系列PLC为防止因输入信号抖动以及外部干涉而造成的误动作，对输入信号配备了可选择输入时间常数（1ms/2ms/4ms/8ms/16ms/32ms/64ms/128ms）的输入滤波器，实现了平稳的输入/输出。在CPM1A系列PLC主机的的面板上。除了正常的运行显示外，还包括两个可预置数据的模拟量设定电位器及连接外部设备和编辑器的外设端口，用户可以通过RS-232C或RS-422通信适配器连接其他PLC或上位计算机构成网络。CPM1A系列PLC具有丰富的指令系统，其常用指令有17条，其他应用指令有76条。除了基本逻辑指令、定时器/计数器指令、移位寄存器指令外，还有算术运算指令、逻辑运算指令、数据传送指令、数据比较指令、数据转换指令、高速计数器控制指令、脉冲输出控制指令、中断控制指令、子程序控制指令、步进控制指令及故障诊断指令等。表4-2 CPM1A指令一览表助记符字数指令功能助记符字数指令功能ADB4二进制加END1结束ADD4单字BCD加FAL2继续运行故障分析ADDL4双字BCD加FALS2停止运行故障分析AND1与IL1互锁AND LD1逻辑块与ILC1解除互锁AND NOT1与非INC2BCD递增ANDW4字逻辑非INI4模式控制ASC4ASCII码转移INT4中断控制ASFT4异步移位寄存器IORE3I/O刷新ASL2算术左移JME2跳转结束ASR2算术右移JMP2跳转BCD3BINBCD转换KEEP2锁存继电器BCMP4块比较LD1载入BCNT4位记数LD NOT1载入非BIN3BCDBIN变换MCRO4宏指令BSET4块设置MLB4二进制乘CLC1清进位位MLPX4数字译码CMP3单字比较MOV3传送CMPL4双字比较MOVB4位传送CNT2记数器MOVD4数字传送CNTR3可逆记数器MSG2信息显示COLL4数据调用MUL4单字BCD乘COM2字逻辑非MULL4双字BCD乘续表4.2助记符字数指令功能助记符字数指令功能CTBL4注册比较表MVN3传送非DEC2BCD递减NOP1空操作DIFD2下微分OR1或DIFU2上微分OR LD1逻辑块或DIST4变址传送OR NOT1或非DIV4单字BCD除ORW4字逻辑或DIVL4双字BCD除OUT2输出DMPX4数字编码OUT NOT2输出非DVB4二进制除PRV4当前值读出PULS设置脉冲SRD3数字右移RET1子程序返回STC1置进位位ROL2循环左移STEP2步结束ROR2循环右移STIM4间隔定时器中断RESET2复位SUB4单字BCD减SBB4二进制减SUBL4双字BCD减SBN2子程序定义TCMP4表比较SBS2子程序调用TIM2定时器SDEC4七段译码TIMH3高速定时器SET2置位TR暂存继电器SFT3移位寄存器WSFT3字位移SFTR4双向移位寄存器XCHG3数据交换SLD3数字左移XFER4块传送SNXT2步定义/步开始XNRW4字逻辑同或SPED速度输出XORW4字逻辑异或4.5塔式起重机PLC控制系统原理 本系统将塔式起重机控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变预调速.塔式起重机控制系统的系统总框图如图1所示。塔式 起 重机的起升、变幅、回转、运行电动机都需要独立运行，整个系统由6台电动机和4台变颇器传动，使用一台PLC加以控制。图 4.1 系 统 总 框 图运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳;机构的电气制动方式必须着重考虑.对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式，在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作塔式起重机的需要为主.为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以通过设定机械制动器的打开时间、变频器的最低运行频率、运行电流之间的关系，以滴足机构负载特性的要求。变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能。由于起升机构电机使用脉冲编码器作为速度反馈装置.通过侧量脉冲编码器的脉冲数，利用二者之差控制电机的速度。所以选择脉冲编码器及其安装时，应当考虑周全。第五章 塔式起重机电气控制的硬件设计 起重机的电气控制硬件设计主要包括电动机是怎样连接的以及怎样与PLC连接，下面我们将分章介绍。5.1塔机电动机控制电路设计图5.1塔吊主线路图5.2 接触器开关接线图5.2 PLC的输入输出接线设计根据塔式起重机检测过程的控制要求，PLC控制系统的输入包括：自动运行开关的输入信号，手动前进、后退开关信号。手动左行、右行开关信号，手动上升、下降开关信号：共计9个开关量输入信号。PLC控制系统的输出：前进、后退接触器驱动信号，左行、右行接触器驱动信号，上升下降接触器驱动信号，顺时针逆时针回转接触器信号,电铃和指示灯驱动信号；共计10个开关量输出信号。根据系统的I/O点数，并考虑富裕量，可选用日本欧姆龙CPM1AH-30CDR，其I/O点数为；18点输入、12点输出。系统I/O输入输出地址分配如下表所示.表5-1 I/O地址序号输入元件输入地址输出元件输出地址1自动运行开关S10000指示灯10002手动前进开关S20001前进接触器KM110013手动后退开关S30002后退接触器KM210024手动左行开关S40003左行接触器KM310035手动右行开关S50004右行接触器KM410046手动上升开关S60005上升接触器KM510057手动下降开关S70006下降接触器KM610068顺时针回转开关S80007顺回转接触器KM710079逆时针回转开关S80008逆回转接触器KM8100810电铃B10095.3流程图第六章 塔式起重机控制的软件设计起重机的电气控制软件设计主要是根据要求画出梯形图，总梯形图见附录，以下我将总梯形图分模块进行分析6.1进退机构工作设计进退机构的梯形图程序设计如图所示。运行时有手动操作和自动操作两种，自动运行过程如下。a）当PLC开机工作时，通过内部继电器M1产生初始化脉冲，使各个计数器（CNT001CNT004）复位。b）当自动运行开关S1合上后，0000的常开接点闭合，1001线圈接通，进退机构执行元件进行，接触器通电，起重机开始前进；同时，所有的定时器、计数器开始工作，定时器TM00每5s产生一个脉冲，脉冲的保持时间为一个扫描周期，为计数器提供计数信号。c）当CNT001计到6时（即延时30s），CNT001的常闭接点断开，使1001线圈断电，进退机构停止前进。d）再过45s后，CNT002计数器计到15，CNT002的常开接点闭合，1002线圈接通，起重机开始后退；工作30s后，CNT003计数器到21，CNT003的常闭接点断开，1002的线圈断开，使后退停止。e）休息45s，CNT004计数到30，CNT004的常开接点闭合，使所有计数器复位，又重新计数，进入第二次循环。除了上述的自动控制方式外，根据需要也可以进行手动操作。从图所示的梯形图可知，1001有两条控制支路，0001的常开接点和0000的常闭接点串联构成手动操作支路。当S2合上时，1001有输出，KM1接通，前进运行：当S2断开时，停止前进。S3手动后退的使用与S2类同。0000TIM00#50M 1003#021CNT004#030CNTCNT002#015CNT001#0061001每隔5秒产生一个脉冲前进30秒计时间隔45秒计时后退30秒计时间隔45秒计时自动/手动前进工作自动/手动后退工作CNT004TIM00M1CNT004TIM00M1CNT004TIM00M1CNT004TIM000000CNT0010001CNT01300010000CNT002CNT0030002CNT01300020000图6-1 进退机构工作的控制梯形图TIM00100210011002CPRCPRCPRCPR6.2左、右行机构工作设计a）当PLC开机工作时，通过内部继电器M1产生初始化脉冲，使各个计数器（CNT005CNT008）复位。b）当手动左形开关S4合上后，0000的常开接点闭合，1003线圈接通，进退机构执行元件进行，接触器通电，起重机开始左行；同时，所有的定时器、计数器开始工作，定时器TM00每1s产生一个脉冲，脉冲的保持时间为一个扫描周期，为计数器提供计数信号。c）当CNT005计到14时（即延时14s），CNT005的常闭接点断开，使1003线圈断电，左、右行机构停止运动。d）再过23s后，CNT006计数器计到37，CNT006的常开接点闭合，1004线圈接通，起重机开始右行；工作14s后，CNT007计数器到51，CNT007的常闭接点断开，1004的线圈断开，使右行停止。e）休息23s，CNT008计数到74，CNT008的常开接点闭合，使所有计数器复位，又重新计数，进入第二次循环。0000CNT004006#037CNT007#051CNTCNT005#014#10左行10秒计时间隔23秒计时右行14秒计时间隔23秒计时自动/手动左行工作CNT008TIM02M 1CNT008TIM02M 1CNT008TIM02TIM01M1TIM02TIM01#10TIM02M1CNT008TIM02TIM02CNT005CNT01300033CNT005#0741003100400030000CNT006CNT0070004CNT01300040000自动/手动右行工作10041003CPRCPRCPRCPR 图6-2 左、右行机构工作的控制梯形图6.3起升机构工作设计 起升机构的控制梯形图如图6-3所示。a）当PLC开机工作时，通过内部继电器M1产生初始化脉冲，使（CNT009CNT012）复位。b）当自动运行开关S1合上后，0000的常开接点闭合，1005线圈接通，进退机构执行元件进行，接触器通电，起重机开始上升；同时，所有的定时器、计数器开始工作，定时器TM03每1s产生一个脉冲，脉冲的保持时间为一个扫描周期，为计数器提供计数信号。c）当CNT009计到10时（即延时15s），CNT009的常闭接点断开，使1005线圈断电，升降机构停止上升。d）再过15s后，CNT010计数器计到25，CNT010的常开接点闭合，1006线圈接通，起重机开始下降；工作10s后，CNT011计数器到35，CNT011的常闭接点断开，1006的线圈断开，使下降停止。e）休息15s，CNT012计数到50，CNT012的常开接点闭合，使所有计数器复位，又重新计数，进入第二次循环。0000TIM033#10M 1011#035CNT012#050CNTTCNT010#025CNT009#0101005100610061005上升15秒计时间隔10秒计时下降15秒计时间隔10秒计时自动/手动上升工作自动/手动下降工作CNT012TIM03M 1CNT012TIM03M 1CNT012TIM03M 1CNT012TIM03TIM03CNT0090005CNT01300050000CNT010CNT0110006CNT01300020000图6-3 起升机构工作的控制梯形图TIM03CPRCPRCPRCPR6.5 回转机构塔机回转速度一般介于0.71R/min。起升机构的控制梯形图如图6-3所示。a）当PLC开机工作时，通过内部继电器M1产生初始化脉冲，使（CNT009CNT012）复位。b）当自动运行开关S1合上后，0000的常开接点闭合，1007线圈接通，进退机构执行元件进行，接触器通电，起重机开始上升；同时，所有的定时器、计数器开始工作，定时器TM03每1s产生一个脉冲，脉冲的保持时间为一个扫描周期，为计数器提供计数信号。c）当CNT009计到10时（即延时15s），CNT009的常闭接点断开，使1007线圈断电，升降机构停止上升。d）再过15s后，CNT010计数器计到25，CNT010的常开接点闭合，1008线圈接通，起重机开始下降；工作10s后，CNT011计数器到35，CNT011的常闭接点断开，1008的线圈断开，使下降停止。e）休息15s，CNT012计数到50，CNT012的常开接点闭合，使所有计数器复位，又重新计数，进入第二次循环。0000TIM033#10M 1011#035CNT012#050CNTTC
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